地铁隧道临近既有高架桥施工风险研究张鹏

地铁隧道临近既有高架桥施工风险研究张鹏

张鹏

中铁十二局集团第二工程有限公司山西太原030032

摘要：在我国快速发展的过程中，随着我国城市化进程的不断推进，地下轨道交通体系逐渐向综合化、立体化方向发展。在地下轨道交通网的建设过程中，不可避免地会遇到地铁施工临近既有高架桥的情况，从而对桥梁的稳定性造成不良影响。依托某地铁３号线河梁街站～河松街站区间沿线侧穿某路、前进路高架桥为研究背景，针对地铁临近高架桥施工存在的风险问题，利用ＭＩＤＡＳ－ＧＴＳ计算软件模拟盾构法的施工过程及进行桩基托换时桥桩的内力、位移分布。模拟计算结果表明，通过采取合理的前期加固措施，地铁施工对高架桥的影响可以满足控制标准的要求。为了保证施工安全，提出了相应的施工技术措施，为地铁邻近既有桥梁的安全施工提供参考。

关键词：地铁施工；高架桥；数值模拟；桩基托换；风险控制

引言

隧道工程是以地质体为改造与利用对象的工程活动，在地下工程建设中，地质体既是建筑材料，也是建筑环境，与隧道结构共同组成一个整体，隧道变形是两者联合作用的结果。由于地下工程建设环境的复杂性，在隧道修建中，岩体与人造结构组成的共同体的物理、力学诸因素要经过一个调整、转化的过程，产生最终的隧道变形。同时，这些内部因素又是互为联系的，目前对这些因素影响性的研究较少。在对隧道变形进行的研究中，国内外众多学者分析了一些稳定措施对围岩和隧道变形的影响以及多种类型隧道围岩稳定评判方法，这些研究没有考虑岩土体参数和结构材料参数共同作用时，各参数对工程的影响性大小，分析了小净距隧道群多种稳定性判定因素的关联度；分析了上软下硬复合地层隧道施工爆破岩体参数的敏感性。

1工程概况

河～河区间位于某市道里区，自河梁街车站（地下两层分离岛车站）沿某路下方敷设，后右转沿前进路下方铺设，直至河松街站（地下三层明挖站），区间沿线侧穿某路、前进路高架桥。某路高架桥采用预应力混凝土连续梁，矩形独柱，墩柱下设置承台，承台厚２．５ｍ，承台下接钢筋混凝土桩。此处桥桩在设计时考虑了地铁施作的影响，因此加大桩径至１．８ｍ，桩长为６０ｍ，其余在区间影响范围内桥桩桩径均为１．５ｍ，桩长为３４～３８ｍ，区间与桥桩间水平距离为１．５５～２１．１７ｍ。前进路高架桥采用连续箱梁及简支板梁，为矩形独柱、双柱、三柱，柱下接承台，钢筋混凝土钻孔桩，桩径１．５ｍ，引桥桩径１．２ｍ，桩长２２ｍ。主桥与引桥并排的桩桩长２５ｍ，其他桩桩长３３～３８ｍ。区间影响范围内桥桩桩长２５～３５ｍ，区间与桥桩间水平距离为０．８２～１５．１３ｍ。在里程ＣＫ３５＋３４７．５７７～ＣＫ３５＋３５２．７８９处正穿前进路高架桥Ｄ５２′桥墩，如图２所示，该桥墩下方三根桥桩位于盾构区间结构范围内，需进行桩基托换，并凿除侵入盾构区间结构的现有桥桩。

2区间临近高架桥施工的数值分析

2.1地层变形

从地层整体竖向位移图可以看出，桩顶加载后，地层沉降主要集中在桩周一定范围内，距离桩越远，地层受影响越小。其中承台所处地层沉降较大。从沉降大于20mm地层范围图可以看出，桩的沉降带动周围地层呈倒锥形沉降，其中沉降较大处主要集中在桩顶所处地层范围内，随着桩的深度增加，地层所受影响也越小。从隧道所在地层竖向沉降云图可以看出，桩对地层的影响较小，仍然主要集中在桩周一定范围内，影响范围有所减小，最大沉降也仅为3.24mm。随着桩的加深，桩侧摩阻力发挥了作用。

2.2计算模型

本文采用ＭＩＤＡＳ－ＧＴＳ计算软件对区间施工过程进行数值模拟，以研究施工过程对高架桥结构的影响。取区间为６ｍ直径的盾构隧道，上行区间拱顶埋深约１０．７１ｍ，下行区间拱顶埋深约１８．７１ｍ，整个模型计算范围为１０１ｍ×７２ｍ×５８ｍ（长×宽×高），计算模型网格划分如图３所示。在隧道模型左右两边增加水平向边界条件，底边增加竖直向边界条件，地面为自由边界条件。

2.3计算结果分析

经过模拟计算，下行隧道掘进时，桥梁墩柱处最大沉降值约１．９６ｍｍ，下行区间拱顶注浆加固后，桥梁墩柱处最大沉降值约１．９３ｍｍ，上行区间隧道掘进时，桥梁墩柱处最大沉降值约２．２３ｍｍ，之后进行拱顶注浆后，桥梁墩柱处最大沉降值约２．２２ｍｍ。

2.4管片变形

（1）管片竖向变形从管片竖向变形云图可以看出，管片最大沉降为1.82mm，每环管片的最大沉降主要集中在管片顶部，在整个桩施做及加载的过程中，盾构管片无隆起。（2）管片水平变形从管片水平向变形云图可以看出，管片的水平向变形主要集中在管片的左右两侧，最大为0.65mm，受桩施工影响较小。（3）管片纵向变形从管片纵向变形云图可以看出，桩的施工对管片的纵向变形影响较小，最大值为0.04mm。

3区间正穿前进路高架桥施工的数值模拟

3.1桩基托换体系

由于盾构区间正穿前进路高架桥Ｄ５２′桥墩下方的３根桥桩，因此需对该桥梁进行桩基托换。盾构区间与托换桥桩平面位置关系如图８所示。本设计托换桩为６根钻孔灌注桩，桩径０．７５ｍ，桩长５０ｍ。既有承台四周及下部为新做承台，新承台尺寸为１４ｍ×１０ｍ×４ｍ（长×宽×高），埋深４．６９ｍ，既有承台和新承台之间进行植筋处理，桩基托换体系剖面图如图９所示。桥桩托换采用主动托换体系，托换时通过千斤顶对新桩和托换体系施加荷载，在外加力的作用下，使上部荷载分级、分步转移到新加的托换桩上，同时通过预加荷载，可以消除部分新桩和托换体系的变形。

3.2风险应对措施

为了保证施工安全，在地铁施工之前应先对桥梁周围的地基土层进行注浆加固，地面上采取支顶保护措施。施工时应先进行下层隧道的掘进，上方隧道施工时在下线隧道内设置台车支撑体系来保护下线隧道，以保证桥梁的安全。临近高架桥施工时应控制合理的推进速度，合理设定正面平衡压力及其他施工参数，严格控制同步注浆量和浆液质量，根据盾构及管片间的建筑间隙及各土层特性合理控制出土量等，区间侧穿桥桩时应采用旋喷桩或冷冻法等加固措施。另外，施工前要调查桥梁现状，施工期间加强动态监控量测，做好应急措施。

结语

（１）河～河区间采用盾构法施工模拟分析结果显示，下行隧道掘进时，桥梁墩柱处最大沉降值约１．９６ｍｍ，下行区间拱顶注浆加固后，桥梁墩柱处最大沉降值约１．９３ｍｍ，上行区间隧道掘进时，桥梁墩柱处最大沉降值约２．２３ｍｍ，拱顶注浆后，桥梁墩柱处最大沉降值约２．２２ｍｍ。通过采取地面注浆加固以及洞内注浆加固措施，地铁施工对既有桥梁的竖向最大位移控制可以在５ｍｍ以内。（２）进行桩基托换施工时，基于地层变形与桩基的相互作用关系，对土体位移变形和桩基内力进行了分析，新建承台周边土体产生最大变形，其中最大水平位移为２．８７１９ｍｍ，最大垂直位移为１８．９９６７ｍｍ。桩基中最大的轴力为４１５１５．４ｋＮ，发生在桩基中部，剪力最大值发生在桥桩底部，最大值为５０３．５１５ｋＮ。施工时应采取主动控制措施以保证既有高架桥的安全。

参考文献

［１］孙斌，陶连金，张印涛．岛式地铁车站施工对邻近桥梁桩基的影响分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００９，５（１）：１６３－１６８．

［２］何海健，项彦勇，刘维宁．地铁施工引起邻近桥梁桩基差异沉降的概率分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，２６（ｓ１）：３２５７－３２６５．